[en] CHEMICAL, STRUCTURAL, TRIBOLOGICAL, AND OPTICAL PROPERTIES OF HEXAGONAL BORON NITRIDE FILMS SYNTHESIZED BY CHEMICAL VAPOR DEPOSITION

Autor: THAIS CRISTINA VIANA DE CARVALHO
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2024
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Druh dokumentu: TEXTO
DOI: 10.17771/PUCRio.acad.67676
Popis: [pt] O Nitreto de Boro Hexagonal (h-BN) é um material composto por átomosalternados de Boro (B) e Nitrogênio (N) com um aspecto hexagonal. Os filmesfinos de h-BN desempenham um papel crucial no desenvolvimento de aplicações como em dispositivos 2D baseados em heteroestruturas de Van der Waals,revestimentos protetivos, tribológicos, entre outros. A síntese de h-BN aindarepresenta um desafio significativo. Nesta tese, investigou-se a síntese do h-BNutilizando o método de low pressure chemical vapour deposition (LPCVD),empregando amônia borane (AB) como fonte precursora de B e N. O estudofocou-se no crescimento direto sobre o substrato de silício, eliminando,assim, a necessidade de transferência do filme para posterior caracterizaçãoe evitando a degradação e contaminações associadas ao processo de transferência. A primeira parte deste estudo concentrou-se no crescimento por CVD,controlando os parâmetros de quantidade de material precursor, temperaturade evaporação do precursor e do forno, fluxo de gases nas etapas de reduçãoe de síntese, temperatura, tempo de redução, síntese e resfriamento. Foramsintetizadas duas séries: uma em função da temperatura de crescimento entre1173 e 1373 K, e uma segunda em função do tempo de síntese a uma temperatura de 1373 K. Os filmes foram caracterizados por espectroscopias Raman,infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), UV-visível (UV-Vis), de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), microscopia de força atômica (AFM),ângulo de contato, microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopiaeletrônica de varredura por transmissão (STEM) e tribologia. Inicialmente,foi estudado o efeito da temperatura de crescimento na qualidade dos filmescrescidos por 10 minutos. Os resultados de espectroscopia Raman confirmamo crescimento de h-BN, evidenciado pelo pico E2g em aproximadamente 1375cm−1. Estudos morfológicos mostraram que variações de temperatura levam àformação de diferentes estruturas na superfície do Si. O crescimento é observado a partir de 1273 K, enquanto amostras crescidas abaixo de 1223 K nãoapresentam sinais de crescimento. Observamos a formação de folhas bidimensionais (2D) com dimensões laterais variando de 80 a 500 nm, assim como ocrescimento contínuo de filmes com nanocristais de tamanhos variados. A razão B:N determinada por XPS foi de aproximadamente 1:1 e o gap óptico dosfilmes de h-BN foi determinado em 5,75 eV. O estudo de tribologia demonstrouum coeficiente de atrito de 0,1 e não houve delaminação após 3000 ciclos deida e volta lineares no teste esfera no disco percorrendo 10 mm em cada ciclono filme, enquanto o do Si foi de 0,6. Para os filmes sintetizados em função dotempo, a caracterização por espectroscopia Raman revelou um pico de modode vibração E2g em 1374 cm−1com intensidade correlacionada à espessura dofilme. A espectroscopia FTIR confirmou a presença de ligações B-N, e a bandaóptica foi determinada em 5,65 eV. O ângulo de contato mostrou filmes hidrofóbicos. Os dados de XPS indicaram uma relação estequiométrica 1:1 entre Be N, e a espessura foi analisada pela medida de seção transversal por STEM,sendo da ordem de 20 nm para filmes crescidos por 10 minutos a 1373 K.
[en] Hexagonal Boron Nitride (h-BN) is a material composed of alternating Boron (B) and Nitrogen (N) atoms with a hexagonal aspect. Thin films of h-BN play a crucial role in the development of applications such as 2D devices based on Van der Waals heterostructures, protective coatings, tribological applications, among others. The synthesis of h-BN still represents a significant challenge. In this thesis, the synthesis of h-BN was investigated using the low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method, employing ammonia borane (AB) as a precursor source of B and N. The study focused on direct growth on the silicon substrate, thus eliminating the need for film transfer for subsequent characterization and avoiding degradation and contamination associated with the transfer process. The first part of this study focused on CVD growth, controlling parameters such as the amount of precursor material, precursor and furnace evaporation temperature, gas flow rates during the reduction and synthesis stages, temperature, reduction time, synthesis, and cooling. Two series were synthesized: one as a function of growth temperature between 1173 and 1373 K, and a second as a function of synthesis time at a temperature of 1373 K. The films were characterized by spectroscopy, Raman, Fourier-transform infrared (FTIR), UV-visible (UV-Vis), X-ray photoelectron (XPS), atomic force microscopy (AFM), contact angle measurements, scanning electron microscopy (SEM), scanning transmission electron microscopy (STEM), and tribology. Initially, the effect of growth temperature on the quality of films grown for 10 minutes was studied. Raman spectroscopy results confirmed the growth of h-BN, evidenced by the E2g peak at approximately 1375 cm−1. Morphological studies showed that temperature variations lead to the formation of different structures on the Si surface. Growth is observed from 1273 K, while samples grown below 1223 K show no signs of growth. We observed the formation of two-dimensional (2D) nanosheets with lateral dimensions ranging from 80 to 500 nm, as well as the continuous growth of films with nanocrystals of varying sizes. The B:N ratio determined by XPS was approximately 1:1, and the optical gap of the h-BN films was determined to be 5.75 eV. Tribology studies demonstrated a friction coefficient of 0.1, and there was no delamination after 3000 linear reciprocating cycles in the ball-on-disk test, covering 10 mm in each cycle on the film, while for Si it was 0.6. For films synthesized as a function of time, Raman spectroscopy characterization revealed an E2g vibration mode peak at 1374 cm−1 with intensity correlated to the film thickness. FTIR spectroscopy confirmed the presence of B-N bonds, and the optical band was determined to be 5.65 eV. Contact angle measurements showed hydrophobic films. XPS data indicated a stoichiometric 1:1 ratio between B and N, and the thickness was analyzed by cross-sectional STEM measurements, being around 20 nm for films grown for 10 minutes at 1373 K.
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